Kurs podstaw teorii obwodów – #1 – wprowadzenie, LTspice

Kurs podstaw teorii obwodów – #1 – wprowadzenie, LTspice

Do tej pory w kursach elektroniki stawialiśmy na praktykę. Nie zajmowaliśmy się dokładniej teorią i nie rozwiązywaliśmy zadań, z którymi spotykają się np. studenci. Czas to zmienić!

Oto kurs podstaw teorii obwodów, który omawia najpopularniejsze metody obliczeń i symulacji, z którymi spotykają się elektronicy.

Zaczynamy w formie krótkiej serii artykułów, jeśli okaże się, że wiele osób jest zainteresowanych taką tematyką to będziemy kontynuować i stworzymy z tego normalny, obszerny kurs. Docelowo seria ta ma omawiać tworzenie symulacji w LTspice oraz wykonywanie obliczeń za pomocą popularnych "ręcznych metod" typu metoda oczkowa, superpozycji, Thevenina itd.

Dla kogo jest ten kurs?

Z kursu najwięcej skorzystają studenci, którzy zajmują się takimi tematami na uczelni. Teoria obwodów to przeważnie trudny przedmiot, który sprawia wiele problemów. Wierzymy jednak, że wszystkie te tematy da się omówić prostym językiem i zobrazować ciekawymi przykładami. Nie będzie to kurs, który zastąpi cały semestr nauki elektroniki na studiach, jednak wykonanie ćwiczeń z tej serii powinno ułatwić trudne dla wielu osób początki.

Oprócz tego, z kursu mogą skorzystać wszyscy, którzy chcą poznać więcej zagadnień z teorii. Artykuły pisane będą językiem zrozumiałym dla osób, które wykonały ćwiczenia z kursu podstaw elektroniki, z jego kontynuacji (kurs elektroniki, poziom II) oraz z kursu podstaw techniki cyfrowej.

Podczas nauki teorii obwodów będziemy głównie korzystać z darmowego programu do symulacji, ale pojawią się też praktyczne przykłady. Do wykonania ćwiczeń z tej serii potrzebne będą elementy, które znajdują się w zestawach do wspomnianych wcześniej kursów elektroniki.

Kurs elektroniki, poziom I (podstawy)
Kurs elektroniki, poziom I (podstawy)

Kurs elektroniki od podstaw to seria poradników, dzięki której tysiące osób przekonało się już, że elektronika może być wciągającym... Czytaj dalej »

Podstawy teorii obwodów - wprowadzenie

Co ma wspólnego komputer i zmontowany przez Ciebie układ? Do czego elektronikowi kalkulator? Między innymi na te pytania postaramy się tutaj odpowiedzieć. Podczas kolejnych artykułów omówimy popularne metody obliczeniowe, jakimi można się posługiwać przy obwodach elektronicznych.

Zacznijmy jednak od przypomnienia tego co można znaleźć na schematach ideowych:

Wybrane symbole spotykane na schematach

Wybrane symbole spotykane na schematach

Wszystkie połączenia między podzespołami są wykonywane "idealnym drutem" - zakładamy, że prąd może przez niego przepływać bez żadnych ograniczeń. Schematy potrafią być bardzo zawiłe więc niekiedy te linie przecinają się ze sobą, ale połączenia elektrycznego między nimi nie ma.

Jeżeli dwa (lub więcej) takie połączenia zewrzemy ze sobą, to powstanie węzeł. Prąd w takim węźle może się dowolnie rozpływać pomiędzy połączeniami, ale nie może się w nim magazynować. Inaczej mówiąc, zachowuje się jak skrzyżowanie: nośniki ładunku przepływają przez niego w dowolnym kierunku, lecz żaden z nich nie zostaje na dłużej.

Nośniki są wprawiane w ruch przez źródła napięciowe lub prądowe. Pierwsze z nich wymusza stałe napięcie między swoimi zaciskami, co można porównać do zwykłej baterii. Drugie jest mniej intuicyjne: wymusza przepływ prądu o określonym natężeniu przez całą gałąź, w którą jest włączone. Nie ma ono swojego odpowiednika w przyrodzie, do jego realizacji służą odpowiednie układy elektroniczne.

Warto zapamiętać, że przez źródło napięciowe (w teorii) może płynąć prąd o dowolnym natężeniu. Analogicznie, źródła prądowego nie interesuje, jakie napięcie będzie musiało wytworzyć, liczy się tylko uzyskanie określonego natężenia prądu.

Głównymi odbiorcami energii dostarczanej przez źródła są rezystory. Jeżeli płynie przez nie prąd, to między ich zaciskami odkłada się napięcie. Działa to również w drugą stronę: jeżeli przyłożymy do nich napięcie, to mamy pewność, że popłynie prąd.

Czytaj schematy, jak doświadczony elektronik
Czytaj schematy, jak doświadczony elektronik

Niniejszy artykuł jest poradnikiem dla kompletnie początkujących, którzy nie wiedzą w jaki sposób interpretować schematy ideowe. Najprościej... Czytaj dalej »

Uzyskane w układzie napięcia i prądy możemy mierzyć. Miejsce, w którym należy włączyć przyrząd, zaznacza się odpowiednim symbolem. Amperomierz zawsze włączamy szeregowo w badaną gałąź, zaś woltomierz równolegle do jednego (lub więcej) elementów.

Pierwszy przykład: rzeczywistość vs. symulacja

Przetestujmy to na prostym układzie, który możesz zbudować przy użyciu części z kursów elektroniki. Potrzebna będzie bateria 9V oraz 3 rezystory i miernik uniwersalny. Schemat:

Schemat przykładowego układu

Schemat przykładowego układu

W praktyce układ taki może wyglądać następująco:

Powyższe mierniki wskazują wartości, które zmierzyliśmy na zbudowanym u siebie układzie. Twoje wyniki mogą być trochę inne. Zbuduj taki układ, zmierz podane wartości i zapisz swoje wyniki. Gdy to zrobisz przejdź dalej i porównaj wyniki z poniższą symulacją.

Symulacja działania układu w LTspice

Elektronicy mają do dyspozycji wiele sposobów, aby móc odpowiedzieć na pytania dotyczące napięcia i prądu płynącego w układzie bez konieczności budowania obwodu i wykonywania w nim pomiarów. Oczywiście podczas nauki możemy (a nawet musimy) budować i mierzyć takie wielkości. Jednak nie zawsze jest to możliwe. Szczególnie, gdy zajmujemy się później rozbudowanymi układami.

Inżynierowie lubią upraszczać sobie życie, dlatego powstało kilka metod ręcznych, bazujących na matematyce. Zanim zademonstrujemy jak działają, warto sobie uświadomić, że nasz zwykły, domowy komputer to idealne narzędzie do wykonywania obliczeń. Robi to bardzo szybko i dokładnie, czego o człowieku powiedzieć nie możemy. Jednak rzadko potrzebujemy znać wynik z dokładnością do n-tego miejsca po przecinku, często wystarczy zwykłe oszacowanie.

Program do symulacji układów elektronicznych, który tutaj zaprezentujemy to popularny LTspice. Jest to darmowy program stworzony przez firmy Linear Technology i Analog Devices, które zajmują się produkcją układów scalonych o rozmaitym przeznaczeniu. Wielką zaletą tego programu jest bogata baza modeli elementów.

Przygotowanie układu do symulacji polega na ułożeniu jego schematu ideowego z gotowych klocków. Każdy taki klocek – np. źródło albo rezystor – reprezentuje odpowiedni model matematyczny danego obiektu. Po rozpoczęciu symulacji, tworzona jest tzw. netlista, czyli plik zawierający opis sieci połączeń pomiędzy użytymi elementami.

W kolejnym odcinku z tej serii zajmiemy się instalacją i konfiguracją LTspice. Omówimy też podstawy pracy z tym programem. Teraz prześledź poniższy przykład, który wykonaliśmy, w następnej części kursu sam będziesz mógł go zbudować i odtworzysz u siebie całą symulację.

Pokazany wcześniej układ można bardzo szybko "zmontować" w LTspice. Będzie on wygląda tak:

Schemat układu w LTspice

Schemat układu w LTspice

Symulacja może się wykonać tylko wtedy, kiedy w układzie znajdzie się tzw. masa (ground), do której będzie podłączony co najmniej jeden węzeł. Wynika to z metody obliczeniowej, jaką posługuje się algorytm zaszyty w programie.

Rezultatem tej symulacji są prądy płynące w gałęziach oraz potencjały wszystkich wyprowadzeń elementów. Węzeł podłączony do masy ma potencjał 0V i to względem niego liczone są pozostałe potencjały w układzie.

Wyniki symulacji nie są przedstawiane w zbyt efektowny sposób, ale taka prosta reprezentacja danych jest bardzo wygodna. Efekt działania programu będzie prezentował się następująco:

Wynik symulacji w LTspice

Wynik symulacji w LTspice

W kolejnym artykule z tej serii omówimy dokładnie sposób analizy wyników symulacji, wytłumaczymy też skąd biorą się ujemne wartości. Teraz ograniczmy się do porównania wyników.

Szukane napięcie to różnica potencjałów 9V i 1,46V, więc wyniesie 7,54V. Natomiast poszukiwany prąd ma wartość 3,11mA. Jak duże są rozbieżności pomiędzy wynikiem symulacji, a Twoimi pomiarami? Jak myślisz, z czego wynikają? Opisz to w komentarzu!

Podsumowanie

W następnych częściach dokładniej przeanalizujemy posługiwanie się programem LTspic, omówimy też ręczne metody, które pozwolą samodzielnie oszacować prądy i napięcia w różnie skonfigurowanych obwodach. Cały czas czekamy też na komentarze osób zainteresowanych taką tematyką, dajcie znać czy jest potrzeba tworzenia takiego kursu podstaw teorii obwodów!

Czy artykuł był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.9 / 5. Głosów łącznie: 148

Osobom, które "muszą" nauczyć się teorii obwodów szczerze doradzamy ćwiczenia praktyczne, które pojawiły się w naszych poprzednich kursach elektroniki. Znacznie łatwiej zrozumieć teorię, gdy mamy już jakieś doświadczenie z elektroniką w praktyce i rozumiemy działanie poszczególnych elementów.

Autor kursu: Michał Kurzela
Ilustracje: Piotr Adamczyk
Redakcja: Damian Szymański

elektronika, kurs, kursTeoriiObwodow, podstawy, teoria

Trwa ładowanie komentarzy...